JP3567089B2 - Capacitive pressure sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体の圧力を検出する圧力センサ、特に自動車のエンジン制御等に使用される半導体微細加工技術を利用した圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の圧力センサとしては、例えば特開平7−7162 号に記載の圧力センサがある。
【0003】
特開平7−7162 号に記載の圧力センサは、周囲圧の変化に応じて変化することのない基準容量および周囲圧に応じて変化する感知容量を有し、半導体基板に形成した容量式の圧力センサであって、半導体基板に直接形成した拡散層である第一電極および所定の圧力に保たれるよう封止された空洞を介して第一電極と対面して形成した単結晶シリコンから成る導電領域を含む可撓性ダイアフラムの第二電極で構成される。基準容量,感知容量とも半導体基板に拡散層を形成しこれを第一電極として用いている。上記記載のセンサは、周囲圧力の変化により可撓性ダイアフラムが偏位して第一電極および第二電極間の容量が対応して変化することを特徴としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
容量式圧力センサの高精度化をはかる方法として、圧力変化に関わらない加工ばらつきないしノイズ等の外乱要因によるアクティブ容量の特性変化をキャンセルする手段として、アクティブ容量とほぼ同程度の容量を有し周囲圧力によって実質的に変化しない基準電極を用い、検出回路で両者の容量変化の差分もしくは比をとる技術は従来から良く知られている。
【0005】
半導体基板上に基準容量,アクティブ容量および検出回路を有する容量式圧力センサに関して高精度化をはかる際の課題は、基準容量−半導体基板間に基板不純物濃度ないし基板−基準容量電極の電位差に応じて変化する寄生容量(接合容量)が生じることである。このため半導体基板を接地または電源電圧として用いている検出回路と接続した場合、基準容量の電極間で形成する所定の容量に対し電極−半導体基板間の寄生容量が非常に大きくかつ変化し、アクティブ容量の変化量に対する寄生容量を含めた基準容量のSN比が増大・変化し測定精度が低下するという課題がある。
本発明の目的は、基準容量−半導体基板間の寄生容量を小さくかつ電圧依存性を実質的に無視でき、測定精度が良い1チップの圧力センサを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板上に、周囲圧力に応じて変化するアクティブ容量,周囲圧力に対し実質的に変化しない基準容量,前記アクティブ容量および基準容量と電気的に接続され両者の差ないし比を検出し半導体基板の電位を利用して動作する回路を有し、前記基準容量が、前記半導体基板上に誘電体を介して設けられた導電性の電極によって形成され、前記半導体基板と前記回路とが接続された1チップの半導体容量式圧力センサによって達成される。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の第1実施例の断面図を図1に、平面図を図2に示す。
【0008】
本実施例には、半導体基板10に酸化物誘電体20を介して形成したアクティブ容量100および基準容量200,検出回路300から構成される半導体容量式圧力センサの圧力検出IC400を示した。
【0009】
半導体基板10は半導体に一般的に用いられている単結晶シリコン基板である。バイポーラと比較してより少ない工程で高集積化できることで知られているC−MOSデバイスを用いる場合には、抵抗率8〜12Ωcm程度のn型またはp型単結晶CZ基板を用いる。
【0010】
酸化物誘電体20は半導体基板10とアクティブ容量100および基準容量 200を半導体基板10から電気的に絶縁している。酸化物誘電体20は熱酸化膜,CVD(Chemical Vapor Deposition )酸化膜、等で形成され比誘電率は3〜4程度である。C−MOSデバイスと同時形成する際には、熱酸化膜(フィールド酸化膜)を用いることが可能であり、工程数の低減につながるためより安価な圧力センサを提供することが出来る。
【0011】
アクティブ容量100はアクティブ容量固定電極30b,バリア誘電体層40,空隙110,ダイアフラム構造体120で構成される。空隙110は封止用誘電体50によりほぼ真空に気密封止されている。このため周囲圧力に比例してダイアフラム構造体120は変位する。ダイアフラム構造体120はアクティブ容量固定電極30bと対面するダイアフラム電極120a部分と固定足場120b部分からなる。ダイアフラム構造体120にポリシリコンを用い不純物拡散法などで導体化すればダイアフラム電極120aを得ることが出来る。また固定足場120bは、空隙110を分離層エッチングにより作成する際にあらかじめ分離層をバリア誘電体層40をエッチングストップ層として用い除去することによりバリア誘電体層40を介して半導体基板10に固定することが出来る。このような構成にすることにより、周囲圧力の変化をアクティブ容量固定電極30bとダイアフラム電極150間の容量変化として変換することが可能である。アクティブ容量固定電極30bおよびダイアフラム電極150の電位は下記の方法により検出回路300に導くことが出来る。すなわち、ダイアフラム電極150の電位はダイアフラム電極接続部130により配線30c,コンタクト構造70を経由して配線部60bに導かれる(図1)。同様にアクティブ容量固定電極30bも配線30c,コンタクト構造70を経由し配線部60bに達する(図2)。ダイアフラム電極接続部130は酸化物誘電体20上に形成した配線30c上のバリア誘電体層40の一部を除去することにより電気的な導通を得る構造である。下部電極30a,アクティブ容量固定電極30b,配線30cは導電性膜であり、不純物拡散したポリシリコン膜やシリサイド等のC−MOSデバイスのゲートと同時加工すると工程が簡略できより安価な圧力センサを提供できる。
【0012】
基準容量200は下部電極30a,バリア誘電体層40,上部電極60aから構成される。基準容量200は酸化物誘電体20を介して半導体基板10上に形成する。このため半導体基板10−下部電極30a間で形成される寄生容量は従来例と比較して非常に小さくすることが可能となる。さらに半導体基板10−下部電極30a間の寄生容量は電圧依存性を実質的に有さない。従って測定精度の良い安定した圧力センサを提供することが出来る。
【0013】
図8に本発明を適用した圧力センサのブロック線図を示す。本実施例は一般的なスイッチドキャパシタ方式の容量−電圧変換部(容量検出部)および、ゼロ点・感度調整部により構成される。Vccは電源電圧、SW1,SW2は切り替えスイッチ、CRは基準容量200,CSはアクティブ容量100,CFは作動増幅器G1のフィードバック容量、G2は作動増幅器を示す。いまA点に下部電極30a−半導体基板10間の寄生容量があると仮定すると、寄生容量と配線抵抗によりSW1のスイッチング周波数に一次遅れが発生し、測定精度を低下させる。さらに寄生容量が電圧依存性を有する場合、さらに不安定な動作を示し精度が悪化する。B点に寄生容量が存在する場合、アクティブ容量100の容量変化量と全容量のSN比が大きくなり測定精度を低下させ、さらに寄生容量が電圧依存性を有すると出力VOが不安定になる。
【0014】
図1に示した基準容量200は平行平板型容量でありその容量は電極面積,電極間距離,電極間材料の比誘電率によって決定される。本第一実施例では電極間距離および電極間材料の決定をバリア誘電体層40によって行っている。バリア誘電体層40にCVDナイトライド膜を用いた場合、非誘電率は7〜9程度である。このためアクティブ容量100と比較しほぼ同容量をより小さな面積で達成することができ、このためより安価な圧力センサを提供できる。
【0015】
第二実施例である図3には、バリア誘電体層40以外で構成した基準容量200 の例を示した。本実施例では基準容量200は、下部電極30a,基準容量誘電体201,酸化膜202,上部電極60aで構成される。本構成では基準容量 200の電極間誘電体である基準容量誘電体201の厚さ・材料をバリア誘電体層40とは別個に決定することが出来るため、基準容量200の面積より小さな圧力センサを安価に提供することができる。
【0016】
本発明の第3実施例の断面図を図4に、平面図を図5に示す。
【0017】
本実施例は基準容量200をアクティブ容量100と同一の製造方法により製作したものである。基準容量200は基準容量固定電極30d,空隙210,ダイアフラム構造体220で構成され、半導体基板10上に酸化物誘電体20を介して形成する。従って、半導体基板10−基準容量200間の寄生容量は小さく、実質的に電圧依存性を有さないため、高精度の圧力センサを提供することができる。基準容量200の固定足場220bの間隔はアクティブ容量100の固定足場120b間隔に対して十分短く配置しており、周囲圧力に対して実質的に変化しない。例えば、ダイアフラム構造体220の変位は固定足場220b間隔の4乗に比例するため、固定足場220b間隔を固定足場120bの1/4に設定した場合、容量変化の比は約1/256程度となる。
【0018】
このような構成にすることによって、基準容量固定電極30dはアクティブ容量固定電極30bと、空隙210は空隙110と、ダイアフラム構造体220はダイアフラム構造体120と同時に加工することが可能となり、アクティブ容量100の製造ばらつきを基準容量200と相殺することができ、さらに同一部材によるためノイズ等の外乱による特性変化も相殺することができる。
【0019】
本発明の第4実施例の断面図を図6に、平面図を図7に示す。
【0020】
本実施例はダイアフラム構造体120内に基準容量固定電極30dを形成した例である。基準容量固定電極30dは足場10b近くに配置し、アクティブ容量固定電極30bは中心部に配置する。ダイアフラム構造体120の変位は中心部が最大となり固定足場120b周辺はほとんど変位しない。このため圧力による基準容量200の容量変化は実質的に圧力に依存しない。このような構成で面積を最小化した容量式圧力検出部はよく知られているが、半導体基板10上に検出回路300と共に集積化する際には、前述した半導体基板10−基準容量固定電極30d間の寄生容量が測定精度を悪化させる。このため、本発明では酸化物誘電体20を介して基準容量固定電極30dを基板上に形成することにより課題の解決をはかった。
【0021】
以上の様な構成にすることによって、基準容量−半導体基板間の寄生容量を小さくかつ電圧依存性を実質的に無視でき、測定精度の良く、安定した容量式圧力センサを提供することが出来る。
【0022】
更に、回路部と圧力検出部の1チップ化が可能となり、小型化,低価格化な圧力センサの提供が可能となる。
【0023】
【発明の効果】
このような構成にすることにより、基準容量−半導体基板間の寄生容量を小さくかつ電圧依存性を実質的に無視でき、測定精度の良く、安定した容量式圧力センサを提供することが出来る。また、回路部と圧力検出部の1チップ化が可能となり、小型化,低価格化な圧力センサの提供が可能となる。さらに、自動車用としても良好な特性で安定した信頼度の高い圧力センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の断面形状を示す図。
【図2】本発明の第1実施例の平面図を示す図。
【図3】本発明の第2実施例の断面形状を示す図。
【図4】本発明の第3実施例の断面形状を示す図。
【図5】本発明の第3実施例の平面形状を示す図。
【図6】本発明の第4実施例の平面形状を示す図。
【図7】本発明の第4実施例の断面形状を示す図。
【図8】本発明の圧力検出回路のブロック図を示す図。
【符号の説明】
10…半導体基板、20…酸化物誘電体、30…導電体、30a…下部電極、30b…アクティブ容量固定電極、30c…配線、30d…基準容量固定電極、40…バリア誘電体層、50…封止用誘電体、60…金属導電体、60a…上部電極、60b…配線部、70…コンタクト構造、100…アクティブ容量、110 ,210…空隙、120,220…ダイアフラム構造体、120a,220a…ダイアフラム電極、120b,220b…固定足場、130…ダイアフラム電極接続部、200…基準容量、201…基準容量誘電体、202…酸化膜、203…パッシベーション膜、300…検出回路、400…圧力検出IC。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure sensor for detecting a pressure of a fluid, and more particularly to a pressure sensor using a semiconductor fine processing technology used for controlling an engine of an automobile.
[0002]
[Prior art]
As a conventional pressure sensor, for example, there is a pressure sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-6162.
[0003]
The pressure sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-7162 has a reference capacitance that does not change in response to changes in ambient pressure and a sensing capacitance that changes in response to ambient pressure. A sensor, comprising: a first electrode which is a diffusion layer formed directly on a semiconductor substrate; and a conductive layer made of single-crystal silicon formed to face the first electrode through a cavity sealed to be maintained at a predetermined pressure. It comprises a flexible diaphragm second electrode including a region. A diffusion layer is formed on a semiconductor substrate for both the reference capacitance and the sensing capacitance, and this is used as a first electrode. The sensor described above is characterized in that the flexible diaphragm is displaced by a change in ambient pressure and the capacitance between the first electrode and the second electrode changes correspondingly.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As a method of increasing the accuracy of a capacitive pressure sensor, as a means for canceling a change in the characteristic of the active capacitance due to a disturbance factor such as processing variation or noise that is not related to a pressure change, a capacitor having a capacity substantially equal to the 2. Description of the Related Art A technique of using a reference electrode which does not substantially change due to pressure and obtaining a difference or a ratio of a change in capacitance between the two by a detection circuit has been well known.
[0005]
A challenge in achieving high accuracy for a capacitive pressure sensor having a reference capacitance, an active capacitance, and a detection circuit on a semiconductor substrate is to adjust the substrate impurity concentration between the reference capacitance and the semiconductor substrate or the potential difference between the substrate and the reference capacitance electrode. That is, a changing parasitic capacitance (junction capacitance) occurs. For this reason, when the semiconductor substrate is connected to a detection circuit that is used as a ground or a power supply voltage, the parasitic capacitance between the electrode and the semiconductor substrate is very large and changes with respect to a predetermined capacitance formed between the electrodes of the reference capacitance, and the active capacitance is changed. There is a problem that the SN ratio of the reference capacitance including the parasitic capacitance with respect to the amount of change in the capacitance increases and changes, and the measurement accuracy decreases.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a one-chip pressure sensor that can reduce the parasitic capacitance between the reference capacitance and the semiconductor substrate, substantially neglect the voltage dependency, and have high measurement accuracy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to detect, on a semiconductor substrate, an active capacity that changes according to the ambient pressure, a reference capacity that does not substantially change with respect to the ambient pressure, and a difference or ratio between the active capacity and the reference capacity that is electrically connected to the active capacity and the reference capacity. A circuit that operates using the potential of the semiconductor substrate, wherein the reference capacitor is formed by a conductive electrode provided on the semiconductor substrate via a dielectric, and the semiconductor substrate and the circuit are This is achieved by a connected one-chip semiconductor capacitive pressure sensor.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of the present invention, and FIG.
[0008]
In this embodiment, a
[0009]
The
[0010]
The oxide dielectric 20 electrically insulates the
[0011]
The
[0012]
The
[0013]
FIG. 8 shows a block diagram of a pressure sensor to which the present invention is applied. This embodiment includes a general switched capacitor type capacitance-voltage conversion unit (capacitance detection unit) and a zero point / sensitivity adjustment unit. Vcc is a power supply voltage, SW1 and SW2 are changeover switches, CR is a
[0014]
The
[0015]
FIG. 3, which is the second embodiment, shows an example of a
[0016]
FIG. 4 is a cross-sectional view and FIG. 5 is a plan view of a third embodiment of the present invention.
[0017]
In this embodiment, the
[0018]
With this configuration, the fixed
[0019]
FIG. 6 is a sectional view and FIG. 7 is a plan view of a fourth embodiment of the present invention.
[0020]
This embodiment is an example in which a reference capacitance fixed
[0021]
With the above-described configuration, a parasitic capacitance between the reference capacitance and the semiconductor substrate can be reduced, the voltage dependency can be substantially ignored, and a stable capacitive pressure sensor with high measurement accuracy can be provided.
[0022]
Further, the circuit section and the pressure detecting section can be integrated into one chip, and a downsized and low-cost pressure sensor can be provided.
[0023]
【The invention's effect】
With such a configuration, a parasitic capacitance between the reference capacitance and the semiconductor substrate can be reduced and voltage dependency can be substantially ignored, and a stable capacitive pressure sensor with good measurement accuracy can be provided. In addition, the circuit section and the pressure detecting section can be integrated into one chip, and a compact and low-cost pressure sensor can be provided. Further, it is possible to provide a stable and highly reliable pressure sensor having good characteristics even for an automobile.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional shape of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional shape of a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional shape of a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a planar shape of a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a planar shape of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional shape of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a pressure detection circuit according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記基準容量が、前記半導体基板上に誘電体を介して設けられた導電性の電極によって形成され、
前記半導体基板と前記回路とが接続された1チップの半導体容量式圧力センサ。On the semiconductor substrate, an active capacity that changes according to the ambient pressure, a reference capacity that does not substantially change with respect to the ambient pressure, and a difference or a ratio between the active capacity and the reference capacity that are electrically connected to the active capacity and the reference capacity are detected. A circuit that operates using a potential ,
The reference capacitance is formed by a conductive electrode provided on the semiconductor substrate via a dielectric,
A one-chip semiconductor capacitive pressure sensor in which the semiconductor substrate and the circuit are connected .
前記基準容量の電極間に誘電体を有することを特徴とする半導体容量式圧力センサ。Oite to claim 1,
A semiconductor capacitance type pressure sensor having a dielectric between electrodes of the reference capacitance .
前記基準容量の電極間に空隙を有し、前記基準電極の電極および空隙は前記アクティブ容量と同一材料で同時に加工したことを特徴とする半導体容量式圧力センサ。Oite to claim 1,
Has voids between the electrodes of the reference capacitor, electrodes and gaps of the reference electrode is a semiconductor capacitive pressure sensor, characterized in that processed simultaneously in the active volume of the same material.
前記基準容量の一方の電極は前記アクティブ容量のダイアフラム構造とし、もう一方の電極は前記ダイアフラム構造を前記半導体基板に固定する足場で規定される領域内の前記足場周辺に配したことを特徴とする半導体容量式圧力センサ。Oite to claim 3,
One electrode of the reference capacitor is a diaphragm structure of the active volume, the other electrode, characterized in that arranged on the scaffold around the area defined by scaffold for fixing the diaphragm structure to the semiconductor substrate Semiconductor capacitive pressure sensor.
前記アクティブ容量が、前記半導体基板上に前記誘電体を介して設けられたことを特徴とする半導体容量式圧力センサ。In any one of claims 1 to 4,
The semiconductor capacitance type pressure sensor, wherein the active capacitance is provided on the semiconductor substrate via the dielectric.
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